(57)【要約】【課題】送液時の脈動や乱流を低減し、流体を層流で送ることのできるマイクロポンプを提供する。【解決手段】回転駆動されるモータ１と、モータ１の回転軸に取り付けられたおねじ２と、おねじ２と微小隙間ｇを介して配置されたシリンジ３とからなり、おねじ２の山部の断面形状が台形であるマイクロポンプ。モータ１の一定方向への回転によりおねじ２が回転され、おねじ２とシリンジ３に充填された流体は、おねじ２の山部で圧縮され、谷部へ送りこまれる。これを繰り返しながら吐出口３ｂへと送液される。このとき、おねじ２の山部の断面形状が台形、より好ましくは円弧で面取りされた台形であるので、送られる流体に圧力変動が生じにくく、乱流にならず、層流で送られることになる。おねじ２とシリンジ３の隙間ｇは、おねじ２のリードピッチＬよりも小さい微小隙間とする。【選択図】  図１
2005147001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転駆動されるモータと、前記モータの回転軸に取り付けられたおねじと、前記おねじと微小隙間を介して配置されたシリンジとからなり、前記おねじの山部の断面形状が台形であることを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項２】
前記おねじの山部の台形断面の角が面取りされていることを特徴とする請求項１記載のマイクロポンプ。
【請求項３】
面取り形状を円弧としたことを特徴とする請求項２記載のマイクロポンプ。
【請求項４】
前記おねじと前記シリンジの隙間ｇと、前記おねじのリードピッチＬの比ｇ／Ｌが１以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載のマイクロポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ライフサイエンスの分野においてゲル電気泳動装置により分離されたＤＮＡやタンパク質等の高分子物質試料の所定の断片部分を分取するマイクロポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
連続吐出動作が可能な従来のポンプとしては、たとえば、特開平７−３３２２２７号公報（特許文献１）に開示されたものが知られている。
この従来のポンプは、図３に示すように一対のポンプユニット１１ａ，１１ｂ（図には１つのみ示す）からなり、各ポンプユニット１１ａ，１１ｂは、逆止弁２２ｂを設けた液体吸引部２１ｂおよび逆止弁２２ａを設けた液体吐出部２１ａを有するポンプヘッド２１と、先端部２３ａでプランジャーシール２１ｃを介してポンプヘッド２１に軸方向摺動自在に嵌合され、軸方向往復移動によりポンプヘッド２１内の液体の圧力を変化させるプランジャー２３と、プランジャー２３に係合するとともに所定の大径の回転中心軸２４ａに対し偏心したカム面２４ｂを有するとともにその回転中心軸２４ａ回りに回転する略円形の偏心カム２４と、ポンプヘッド２１およびプランジャー２３の間に設けられたリターンスプリング２５を備えている。両ポンプユニット１１ａ，１１ｂの偏心カム２４の回転中心軸２４ａは同軸に結合されており、その回転中心軸２４ａにはタイミングベルト２６を介して単一のパルスモータ２７（例えばステッピングモータ）が連結されている。また、偏心カム２４はリターンスプリング２５と協働してプランジャー２３を軸方向に往復移動させることができる。また、プランジャー往復動形ポンプ１１は、一対（複数）の偏心カム２４をパルスモータ２７により異なる位相で回転させ、偏心カム２４に係合する一対のプランジャー２３を逆位相（異なるタイミング）で軸方向に往復移動させるとともに、各プランジャー２３の一方向への移動時に吸引部２１ｂからポンプヘッド２１に液体を吸引し、各プランジャー２３の他方向への移動時に吐出部２１ａから液体を吐出して連続的な吐出動作を行なうようになっている。
【０００３】
一方、特開平１１−２０１０７２号公報（特許文献２）には、スクリューとスクリュー収納部との径方向のギャップの大きさが該スクリューの一部分において他の大部分におけるよりも小さくなるように、上記ギャップの大きさに差を設けたスクリューポンプが開示されている。このようなギャップの構成とすることにより、例えば電気ポットの給湯用ポンプとして用いる場合に、騒音の発生や目詰りの可能性が小さくなり、かつポンプ能力の高いスクリューポンプを実現することができる。
また、特開平１０−１９２６１６号公報（特許文献３）には、水槽内に挿入する水揚げパイプと、該水揚げパイプに密嵌し、回転することによって水槽水を水揚げパイプに揚水する回転揚水用のスクリューロッドと、該スクリューロッドを揚水方向に回転する回転手段と、上記水揚げパイプの長手方向上方に配設し、該水揚げパイプからの揚水浄化用のフィルターを交換可能に保持し且つ揚水の水槽復帰用の排出口を有するフィルターケースとを備えて水槽水循環用とした水槽水浄化ポンプ装置が開示されている。この構成によれば、比較的簡易な構造にして浄化能力が良好で且つ安価に供給することができる水槽水循環式とした水槽水浄化ポンプを提供することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−３３２２２７号公報
【特許文献２】特開平１１−２０１０７２号公報
【特許文献３】特開平１０−１９２６１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１記載のポンプにおいては、流量がシリンジ容積で決定されるために、連続流体を送液するには、シリンダの往復運動と弁の切り替えを繰り返すことで吸引吐出を行えるが、吸引、吐出動作を行う弁が切り替わるため圧力変動が生じることから送液時の脈動になる等の問題が生じていた。
また、特許文献２及び３記載のポンプは、モータの回転でスクリューを回転し、スクリューとパイプ（スクリュー収納部、水揚げパイプ）との間の圧力差により送液を行う構成であるが、スクリューのネジ山の形状が矩形であるので、送液時に乱流が生じやすく、送られる流体の圧力変動が大きい。そのため、ライフサイエンスの分野におけるＤＮＡや蛋白質等の試料を送るには適さないという問題があった。
そこで本発明は、送液時の脈動や乱流を低減し、流体を層流で送ることのできるマイクロポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するため、本発明の第１の構成は、回転駆動されるモータと、前記モータの回転軸に取り付けられたおねじと、前記おねじと微小隙間を介して配置されたシリンジとからなり、前記おねじの山部の断面形状が台形であることを特徴とするマイクロポンプである。
第１の構成のマイクロポンプにおいては、モータの一定方向への回転によりおねじが回転され、おねじとシリンジに充填された流体は、おねじの山部で圧縮され、谷部へ送りこまれる。これを繰り返しながら出口へと送液される。このとき、おねじの山部の断面形状が台形であるので、送られる流体に圧力変動が生じにくく、乱流にならず、層流で送られることになる。
【０００７】
本発明の第２の構成は、第１の構成のマイクロポンプにおいて、前記おねじの山部の台形断面の角が面取りされていることを特徴とするものである。
なお、本明細書において「面取り」とは、角を取ることを言い、面を出すことのほか、円弧状にすることも含むものとする。
本発明の第３の構成は、第２の構成のマイクロポンプにおいて、面取り形状を円弧としたことを特徴とするものである。
第２の構成および第３の構成においては、前記おねじの山部の台形断面の角を面取りすること、特に円弧状に面取りすることにより、圧力変動がさらに小さくなる。
本発明の第４の構成は、第１〜第４のいずれかの構成のマイクロポンプにおいて、前記おねじと前記シリンジの隙間ｇと、前記おねじのリードピッチＬの比ｇ／Ｌが１以下であることを特徴とするものである。
この第４の構成においては、おねじのリードピッチＬよりおねじとシリンジ間の隙間ｇの方が小さく、微小隙間となるため、いっそう圧力変動が生じにくくなる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、マイクロポンプを構成するおねじの山部が台形であり、またその角が面取りされていることにより、送られる流体に圧力変動が生じにくく、流体を層流で送ることができる。このため、ライフサイエンスの分野におけるＤＮＡや蛋白質等の試料を送るのに適したマイクロポンプを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態に係るマイクロポンプを、図１および図２に基づいて説明する。
図１は、本発明のマイクロポンプの断面図である。本実施形態のマイクロポンプは、モータ１と、このモータ１によって回転駆動されるリードピッチＬのおねじ２と、このおねじ２の山よりも隙間ｇの間隔だけ大きな内径を有するシリンジ３で構成される。シリンジ３には、おねじ２の基部に対応する部分に吸入口３ａが、おねじ２の先端に位置する部分に吐出口３ｂが設けられている。
おねじ２の山の断面形状は、基本形は台形であるが、角が円弧状に面取りされている。
【００１０】
本実施形態の諸元の一例を挙げる。
おねじ２の山部の直径：４ｍｍ
おねじ２の谷部の直径：３．９ｍｍ
おねじ２の有効長：３０ｍｍ
おねじ２の山部の台形断面形状の底角：６０°
おねじ２の山部の台形形状の角のＲの半径：０．０５ｍｍ
おねじ２のリードピッチＬ：０．５ｍｍ
シリンジ３の内径：４．１ｍｍ
吸入口３ａの内径：１ｍｍ
吐出口３ｂの内径：０．５ｍｍ
おねじ２の回転数：０〜３０００ｍｉｎ-1
【００１１】
次に、この実施形態の動作について説明する。
モータ１を回転駆動すると、おねじ２も回転する。
おねじ２は、モータ１のトルク（τ）により、以下の式で推力（Ｆ）を得ることができる。
Ｆ＝τＬ／２π          （式１）
この推力Ｆにより、おねじ２の山部とシリンジ３の内周との間に圧力差が生じ、吸入口３ａから吸い込まれる流体は、吐出口３ｂ側に送液される。このとき、おねじ２の山部は基本形は台形であるが、加工形状によれば、乱流の要因となるため、乱流の起こりにくい曲面形状が望ましい。
【００１２】
本実施形態のマイクロポンプの流量は、モータ１の回転速度により求められる。モータ１の回転速度と流量の関係を図２に示す。図２に示すようにモータ１の回転速度と流量には相関があり、回転速度を制御することで流量を制御することが可能である。
上述したように、本実施形態のマイクロポンプによれば、モータ１の回転により、おねじ２とシリンジ３間に充填された流体は、おねじ２の山部で圧縮され、谷部へ送りこまれる。これを繰り返しながら出口へと送液される。このとき、おねじ２の山部とシリンジ３間はリードピッチＬよりも小さい微小隙間ｇである。
微小間隔ｇがリードピッチＬよりも小さいと、流体が層流となることの説明を行う。
ｇ＜Ｌの関係において、流れの状態を示すレイノルズ数を求める。リードピッチＬを０．５ｍｍとした場合、微小隙間ｇは０．５ｍｍより小さい値をとる。おねじの回転速度が３０００ｍｉｎ-1の場合、流体の移動速度は２５ｍｍ／ｓ｛（３０００／６０）×０．５（Ｌの値）｝である。水の粘度を（１×１０-6ｍ2／ｓ）とすると、レイノルズ数は（式２）から求められる。
【００１３】
【数１】
2005147001.tif 000003
Ｒｅ：レイノルズ数
ｖ：流体速度
ｄ：流路幅
ν：水の粘度
【００１４】
ここで、流体の流れが層流から乱流になる臨界レイノルズ数は、実験により２３２０であった。すなわち、下記の関係となる。
Ｒｅ＞２３２０：乱流
Ｒｅ＜２３２０：層流
（式２）より、レイノルズ数は１２．５であり、層流である。また、おねじの底角を６０°とした。この場合、ねじ深さは０．０５ｍｍであり、微小隙間０．５ｍｍに対する影響は小さいが、鈍角になるほど微小隙間の変動が小さくなり、圧力変動を抑制する効果がある。
このように、ｇ＜Ｌという関係を満たすことにより、流体は層流となり、圧力変動が生じにくい。また、モータ１の回動によるため、一定方向へ回転させるだけで連続的に流体を送液させることが可能である
【産業上の利用可能性】
【００１５】
本発明は、ライフサイエンスの分野においてゲル電気泳動装置により分離されたＤＮＡやタンパク質等の高分子物質試料の所定の断片部分を分取するマイクロポンプとして、有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態のマイクロポンプの構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態のモータ回転速度と流量との相関を示すグラフである。
【図３】従来のポンプの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００１７】
１  モータ
２  おねじ
３  シリンジ
３ａ  吸入口
３ｂ  吐出口
【図１】
2005147001.tif 000004
【図２】
2005147001.tif 000005
【図３】
2005147001.tif 000006